JP6623970B2 - 圧電素子 - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子に関する。

例えば特許文献１には、インクジェット方式のプリンタのプリンタヘッドに用いられる積層型圧電素子が記載されている。この積層型圧電素子は、圧電体層と第１及び第２の駆動用内部電極とが交互に積層された駆動部、及び圧電体層と接続用内部電極とが積層された接続部とを有する積層体と、当該積層体の一方の側面に形成され第１の駆動用内部電極と導通する駆動用外部電極と、積層体の一方の側面に形成され接続用内部電極と導通する接続用外部電極と、積層体の他方の側面に形成され第２の駆動用内部電極及び接続用内部電極と導通する共通外部電極とを備えている。駆動部には、積層体の上面側から下面側へと向かうスリットにより分断された複数個のアクチュエータユニットが構成されている。

特開２００３−０３７３０７号公報

特許文献１に記載されるような圧電素子では、機械加工によりスリットを形成すると、圧電体層と電極との間で剥離が発生する場合がある。また、電極が複数の電極層で構成されていると、電極内で剥離が発生する場合もある。前者の場合は、圧電特性及び外観への影響が製造直後から比較的顕著に表れる。したがって、検査による不良品のスクリーニングが比較的容易である。これに対し、後者の場合は、圧電特性及び外観への影響が製造直後は比較的少ない。したがって、検査による不良品のスクリーニングが比較的困難である。検査から漏れた不良品は経年劣化し易いため、信頼性が低下する懼れがある。

本発明は、電極内の剥離を抑制し、信頼性を向上させることが可能な圧電素子を提供することを目的とする。

本発明に係る圧電素子は、圧電体と、圧電体上に設けられたスパッタ電極と、を備え、スパッタ電極は、第一金属材料からなる第一電極領域と、第一電極領域上に位置し、第一金属材料とは異なる第二金属材料からなる第二電極領域と、第一電極領域と第二電極領域との間に設けられた第三電極領域と、を有し、第三電極領域は、第一金属材料及び第二金属材料が混在している領域である。

本発明に係る圧電素子では、スパッタ電極が、第一電極領域及び第二電極領域に加えて、第一電極領域と第二電極領域との間に第三電極領域を有している。第三電極領域では、第一電極領域を構成する第一金属材料、及び第二電極領域を構成する第二金属材料が混在している。第三電極領域と第一電極領域との接合強度（密着強度）、及び第三電極領域と第二電極領域との接合強度はいずれも、互いに全く異なる金属材料からなる第一電極領域と第二電極領域との接合強度よりも高い。このため、電極内の剥離を抑制し、信頼性を向上させることができる。

本発明に係る圧電素子において、スパッタ電極は、スリットにより複数の電極部分に分けられていてもよい。この場合、例えば、機械的加工によりスパッタ電極を分けるとすると、電極内の剥離が生じ易いので、電極領域間の接合強度を高める上記構成が特に有効となる。

本発明に係る圧電素子において、スリットは、圧電体まで達しており、圧電体は、各電極部分に対応する複数の圧電体部分に分けられていてもよい。この場合、各圧電体部分を互いに独立して駆動することができる。

本発明に係る圧電素子において、第三電極領域では、第一金属材料に対して第二金属材料が混在する割合が、第一電極領域から第二電極領域に向かうにしたがって徐々に増加していてもよい。この場合、第三電極領域の第一電極領域側に第一金属材料が多く含まれるので、第三電極領域と第一電極領域との接合強度を更に高めることができる。また、第三電極領域の第二電極領域側に第二金属材料が多く含まれるので、第三電極領域と第二電極領域との接合強度を更に高めることができる。この結果、電極内の剥離を更に抑制することができる。

本発明に係る圧電素子において、第一金属材料はＣｒであり、第二金属材料はＣｕであってもよく、第一金属材料はＣｕであり、第二金属材料はＳｎＡｇであってもよい。

本発明に係る圧電素子によれば、電極内の剥離を抑制し、信頼性を向上させることが可能となる。

図１は、圧電素子を上方から見た斜視図である。 図２は、圧電素子を下方から見た斜視図である。 図３は、図１の矢印ＩＩＩ方向から見た圧電素子の正面図である。 図４は、図１の矢印ＩＶ方向から見た圧電素子の背面図である。 図５の（ａ）は、図１のＶＡ−ＶＡ線断面図であり、図５の（ｂ）は、図１のＶＢ−ＶＢ線断面図である。 図６は、駆動部を拡大して示す斜視図である。 図７は、図５の（ａ）のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。 図８は、外部電極の構成を示す拡大断面図である。 図９は、スパッタリング装置の構成図である。 図１０は、スパッタ電極の断面のＳＥＭ写真である。

本発明の実施形態について図面を参照して説明する。以下の本実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明を以下の内容に限定する趣旨ではない。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１〜図４に示されるように、圧電素子１は、いわゆる積層型圧電素子であり、積層体２と、外部電極３，４とを備える。圧電素子１の長さ（図１〜図４のＸ軸方向における大きさ）は、例えば２７．８５ｍｍ以上２７．９１ｍｍ以下程度である。圧電素子１の幅（図１〜図４のＹ軸方向における大きさ）は、例えば２．５６ｍｍ以上２．６６ｍｍ以下程度である。圧電素子１の厚さ（図１〜図４のＺ軸方向における大きさ）は、例えば０．２７ｍｍ以上０．５４ｍｍ以下程度である。

積層体２は、一対の端面２ａ，２ｂと、一対の主面２ｃ，２ｄと、一対の側面２ｅ，２ｆと、を有する。端面２ａ，２ｂは、積層体２の長手方向において対向している。端面２ａ，２ｂの対向方向は、積層体２の長手方向であり、図１〜図４のＸ軸方向である。端面２ａ，２ｂは、互いに略平行に延び、かつ、Ｘ軸方向に略直交している。

主面２ｃ，２ｄは、積層体２の厚さ方向において対向している。主面２ｃ，２ｄの対向方向は、積層体２の厚さ方向であり、図１〜図４のＺ軸方向である。主面２ｃ，２ｄは、互いに略平行に延び、かつ、Ｚ軸方向に略直交している。主面２ｃ，２ｄは、端面２ａ，２ｂを連結している。側面２ｅ，２ｆは、積層体２の幅方向において対向している。側面２ｅ，２ｆの対向方向は、積層体２の幅方向であり、図１〜図４のＹ軸方向である。側面２ｅ，２ｆは、互いに略平行に延び、かつ、Ｙ軸方向に略直交している。側面２ｅ，２ｆは、端面２ａ，２ｂ及び主面２ｃ，２ｄを連結している。

積層体２は、８つの積層体部分１０と、２つの積層体部分１１とを有する。２つの積層体部分１１は、Ｘ軸方向に沿って互いに離間して配置されている。８つの積層体部分１０は、２つの積層体部分１１の間にＸ軸方向に沿って配列されている。積層体部分１０，１１の数は、上述の数に限られず、それぞれ少なくとも一つずつであってもよい。

積層体部分１０は、図１及び図２に示されるように、駆動部５０と、基部５１の一部とからなる。いずれの積層体部分１０においても、駆動部５０は、Ｚ軸方向に沿うように基部５１から同一方向に向けて延びている。駆動部５０と基部５１とは、一体成形されている。駆動部５０は、圧電的に活性な活性部（活性領域）を含む。

駆動部５０は、Ｙ軸方向及びＺ軸方向のそれぞれから見て、矩形状を呈している。駆動部５０のうちＹ軸方向において対向する側面のうち一方は、側面２ｅの一部をなしている。駆動部５０のうちＹ軸方向において対向する側面のうち他方は、側面２ｆの一部をなしている。駆動部５０のうちＺ軸方向において対向する側面のうち一方は、駆動部５０の一方の側面と他方の側面とを連結しており、主面２ｃの一部をなしている。

Ｙ軸方向における駆動部５０の長さは、Ｘ軸方向における駆動部５０の長さよりも長い。Ｘ軸方向において隣り合う駆動部５０の間には、スリットＳが形成されている。従って、本実施形態においては、９本のスリットＳが存在する。スリットＳは、Ｙ軸方向に沿って延び側面２ｅ，２ｆ側に開口すると共に、Ｚ軸方向に沿って延び主面２ｃ側に開口している。

図５の（ａ）及び図６に詳しく示されるように、駆動部５０は、複数の圧電体層３０と、矩形状を呈する複数の内部電極３１，３２とを含む。圧電体層３０及び内部電極３１，３２は、Ｚ軸方向において積層されている。圧電体層３０及び内部電極３１，３２の積層方向（以下、積層方向という。）は、主面２ｃ，２ｄの対向方向であり、積層体２の厚さ方向であり、図１〜図４のＺ軸方向である。

圧電体層３０は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ_ｘ，Ｔｉ_１−ｘ）Ｏ_３）を主成分とする圧電セラミックス材料からなる。実際の圧電素子１では、各圧電体層３０は、視認できない程度に一体化されている。本実施形態では、各圧電体層３０の厚さは、１０μｍ以上５０μｍ以下程度に設定されていてもよい。

複数の内部電極３１は、積層方向で対向するように積層方向に沿って並んでいる。内部電極３１は、互いに略平行に延び、かつ、Ｚ軸方向に略直交している。内部電極３１の数は特に限定されないが、図５の（ａ）及び図６では１０枚である。内部電極３１の一端は、側面２ｅまで延びており、側面２ｅに露出している。内部電極３１の他端は、側面２ｆの近傍にまで延びているが、側面２ｅ，２ｆの対向方向において側面２ｆから離れている。そのため、内部電極３１の他端は、側面２ｆには露出していない。

複数の内部電極３２は、積層方向で対向するように積層方向に沿って並んでいる。内部電極３２は、互いに略平行に延び、かつ、Ｚ軸方向に略直交している。内部電極３２の数は、特に限定されないが、図５の（ａ）及び図６では１０枚である。内部電極３２の一端は、側面２ｆまで延びており、側面２ｆに露出している。内部電極３２の他端は、側面２ｅの近傍にまで延びているが、側面２ｅ，２ｆの対向方向において側面２ｅから離れている。そのため、内部電極３２の他端は、側面２ｅには露出していない。

内部電極３１，３２は、Ａｇ（銀）及びＰｄ（パラジウム）を主成分とする導電材料からなっていてもよい。内部電極３１，３２の厚さは、例えば、０．５μｍ以上３μｍ以下程度に設定されていてもよい。導電材料として、Ｃｕ（銅）を用いてもよい。積層方向において隣り合う内部電極３１と内部電極３２との間隔は、例えば１０μｍ以上５０μｍ以下程度、すなわち隣り合う内部電極３１と内部電極３２との間に位置する圧電体層３０の厚さと同程度に設定されていてもよく、２０μｍ程度に設定されていてもよい。

内部電極３１と内部電極３２とは、積層方向において交互に並んでいる。図６に示されるように、内部電極３１，３２は、積層方向において重なり合う部分Ｐと、積層方向において重なり合わない部分Ｑとを有する。部分Ｐは、駆動部５０のうち活性部に対応する部分である。部分Ｑは、駆動部５０のうち不活性部に対応する部分である。

積層体部分１１は、図１及び図２に示されるように、非駆動部５２と、基部５１の一部とからなる。いずれの積層体部分１１においても、非駆動部５２は、Ｚ軸方向に沿うように基部５１から同一方向に向けて延びている。非駆動部５２が基部５１から延びる方向は、駆動部５０が基部５１から延びる方向と同じである。非駆動部５２と基部５１とは、一体成形されている。非駆動部５２は、圧電的に不活性な不活性部（不活性領域）を含む。

非駆動部５２のうちＹ軸方向において対向する側面のうち一方は、側面２ｅの一部をなしている。非駆動部５２のうちＹ軸方向において対向する側面のうち他方は、側面２ｆの一部をなしている。非駆動部５２のうちＺ軸方向において対向する側面のうち一方は、非駆動部５２の一方の側面と他方の側面とを連結しており、主面２ｃの一部をなしている。非駆動部５２のうち側面２ｅ側には、Ｚ軸方向に延びる溝３５が形成されている。

図５の（ｂ）に詳しく示されるように、非駆動部５２は、複数の圧電体層３０と、矩形状を呈する複数の内部電極３３とを含む。圧電体層３０及び内部電極３３は、Ｚ軸方向において積層されている。圧電体層３０及び内部電極３３の積層方向は、圧電体層３０及び内部電極３１，３２の積層方向と略同一である。

複数の内部電極３３は、積層方向で対向するように積層方向に沿って並んでいる。内部電極３３同士は、圧電体層３０を介して隣り合い、かつ、対向している。内部電極３３は、互いに略平行に延び、かつ、Ｚ軸方向に略直交している。内部電極３３の数は、特に限定されないが、図５の（ｂ）では２０枚である。内部電極３３の一端は、側面２ｆまで延びており、側面２ｆに露出している。内部電極３３の他端は、側面２ｅまで延びており、側面２ｅに露出している。

内部電極３３は、Ａｇ及びＰｄを主成分とする導電材料からなっていてもよい。内部電極３３の厚さは、例えば、０．５μｍ以上３μｍ以下程度に設定されていてもよい。導電材料として、Ｃｕを用いてもよい。積層方向において隣り合う内部電極３３の直線距離は、例えば１０μｍ以上５０μｍ以下程度、すなわち隣り合う内部電極３３間に位置する圧電体層３０の厚さと同程度に設定されていてもよく、２０μｍ程度に設定されていてもよい。

基部５１は、直方体形状を呈している。基部５１のうちＸ軸方向において対向する側面のうち一方は、端面２ａの一部をなしている。基部５１のうちＸ軸方向において対向する側面のうち他方は、端面２ｂの一部をなしている。基部５１のうちＹ軸方向において対向する側面のうち一方は、側面２ｅの一部をなしている。基部５１のうちＹ軸方向において対向する側面のうち他方は、側面２ｆの一部をなしている。基部５１のうちＺ軸方向において対向する側面のうち一方は、基部５１の一方の側面と他方の側面とを連結しており、主面２ｄの一部をなしている。

図２、図３、図５及び図６に示されるように、基部５１は、複数の圧電体層３０と、内部電極３４とを含む。圧電体層３０及び内部電極３４は、Ｚ軸方向において積層されている。圧電体層３０及び内部電極３４の積層方向は、圧電体層３０及び内部電極３１，３２の積層方向と略同一である。

本実施形態では、内部電極３４の数は１つである。図７に詳しく示されるように、内部電極３４は、基部５１内において、積層方向と直交する面に沿って基部５１の一方の側面から他方の側面にわたるように延びている。本実施形態では、内部電極３４は、積層方向と直交する面に沿って基部５１のほぼ全域にわたって延びている。内部電極３４は、積層方向から見て、駆動部５０及び非駆動部５２と重なり合っている。内部電極３４のうち端面２ａ，２ｂ寄りの両端は、端面２ａ，２ｂのそれぞれに露出していない。内部電極３４のうち側面２ｅ寄りの端は、側面２ｅに露出している。内部電極３４のうち側面２ｆ寄りの端は、側面２ｆに露出している。

図１に示されるように、外部電極３は、側面２ｅの全面にわたって設けられている。外部電極３は、側面２ｅを構成する圧電体層３０上に設けられているとも言える。外部電極３は、各積層体部分１０（具体的には駆動部５０）における側面２ｅに設けられた電極部分３ａと、各積層体部分１１における側面２ｅに設けられた電極部分３ｂと、を有している。電極部分３ａは、図５の（ａ）にも示されるように、内部電極３１のうち側面２ｅに露出している端と物理的、かつ、電気的に接続されている。電極部分３ｂは、図５の（ｂ）にも示されるように、内部電極３３，３４のうち側面２ｅに露出している端と物理的、かつ、電気的に接続されている。

各電極部分３ａ及び各電極部分３ｂは、互いに物理的、かつ、電気的に独立している。Ｘ軸方向において隣り合う電極部分３ａの間には、スリットＳが形成されている。つまり、外部電極３は、スリットＳにより、複数の電極部分３ａに分けられていると言える。更に、スリットＳは、外部電極３から積層体２まで達しており、積層体２は、スリットＳにより、各電極部分３ａに対応する複数の積層体部分１０に分けられていると言える。積層体２は圧電体層３０を含むため、圧電体層３０が、スリットＳにより、各電極部分３ａに対応する複数の圧電体部分に分けられているとも言える。

図８に詳しく示されるように、外部電極３は、スパッタリング法により形成されたスパッタ電極であり、電極領域Ｒ_Ａ〜Ｒ_Ｅを有している。図８では、電極部分３ａが図示されているが、電極部分３ｂも同様の構成である。電極領域Ｒ_Ａ〜Ｒ_Ｅは、側面２ｅ上に電極領域Ｒ_Ａ〜Ｒ_Ｅの順で設けられている。電極領域Ｒ_Ａは、積層体２上に直接設けられている。電極領域Ｒ_Ｂは、電極領域Ｒ_Ａ上に直接設けられている。電極領域Ｒ_Ｃは、電極領域Ｒ_Ｂ上に直接設けられ、電極領域Ｒ_Ｂを介して電極領域Ｒ_Ａ上に位置している。電極領域Ｒ_Ｄは、電極領域Ｒ_Ｃ上に直接設けられている。電極領域Ｒ_Ｅは、電極領域Ｒ_Ｄ上に直接設けられ、電極領域Ｒ_Ｄを介して電極領域Ｒ_Ｃ上に位置している。外部電極３は、互いに異なる金属材料Ｍ１〜Ｍ３を含んでいる。金属材料Ｍ１は、例えばＣｒである。金属材料Ｍ２は、例えばＣｕである。金属材料Ｍ３は、例えばＳｎＡｇ、Ａｕ、Ａｇ、又はＰｄＡｇである。

電極領域Ｒ_Ａは、金属材料Ｍ１からなる領域である。具体的には、電極領域Ｒ_Ａは、金属材料Ｍ１を５０％以上含む領域であればよい。電極領域Ｒ_Ｂは、電極領域Ｒ_Ａと電極領域Ｒ_Ｃとの間に設けられ、金属材料Ｍ１及び金属材料Ｍ２が混在している領域である。電極領域Ｒ_Ｃは、金属材料Ｍ２からなる領域である。具体的には、電極領域Ｒ_Ｃは、金属材料Ｍ２を５０％以上含む領域であればよい。電極領域Ｒ_Ｄは、電極領域Ｒ_Ｃと電極領域Ｒ_Ｅとの間に設けられ、金属材料Ｍ２及び金属材料Ｍ３が混在している領域である。電極領域Ｒ_Ｅは、金属材料Ｍ３からなる領域である。具体的には、電極領域Ｒ_Ｅは、金属材料Ｍ３を５０％以上含む領域であればよい。

電極領域Ｒ_Ｂでは、金属材料Ｍ１に対して金属材料Ｍ２が混在する割合が、電極領域Ｒ_Ａから電極領域Ｒ_Ｃに向かうにしたがって徐々に（連続的に）増加している。言い換えると、電極領域Ｒ_Ｂでは、金属材料Ｍ２に対して金属材料Ｍ１が混在する割合が、電極領域Ｒ_Ａから電極領域Ｒ_Ｃに向かうにしたがって徐々に減少している。つまり、電極領域Ｒ_Ｂでは、膜厚方向（Ｙ軸方向）に沿って金属材料Ｍ１に対して金属材料Ｍ２が混在する割合が徐々に変化する。

電極領域Ｒ_Ｄでは、金属材料Ｍ２に対して金属材料Ｍ３が混在する割合が、電極領域Ｒ_Ｃから電極領域Ｒ_Ｅに向かうにしたがって徐々に増加している。言い換えると、電極領域Ｒ_Ｄでは、金属材料Ｍ３に対して金属材料Ｍ２が混在する割合が、電極領域Ｒ_Ｃから電極領域Ｒ_Ｅに向かうにしたがって徐々に減少している。つまり、電極領域Ｒ_Ｄでは、膜厚方向（Ｙ軸方向）に沿って金属材料Ｍ２に対して金属材料Ｍ３が混在する割合が徐々に変化する。

図１及び図４に示されるように、外部電極４は、側面２ｆの全面にわたって設けられている。外部電極４は、側面２ｆを構成する圧電体層３０上に設けられているとも言える。外部電極４は、各積層体部分１０における側面２ｆに設けられた電極部分４ａと、各積層体部分１１における側面２ｆに設けられた電極部分４ｂと、を有している。電極部分４ａは、図５の（ａ）にも示されるように、内部電極３２のうち側面２ｆに露出している端と物理的、かつ、電気的に接続されている。電極部分４ｂは、図５の（ｂ）にも示されるように、内部電極３３，３４のうち側面２ｆに露出している端と物理的、かつ、電気的に接続されている。

上述のように外部電極３の各電極部分３ａ，３ｂは、互いに物理的、かつ、電気的に独立しているのに対し、外部電極４の各電極部分４ａ，４ｂは、主面２ｄ側の端部で互いに一体的に接続されている。Ｘ軸方向において隣り合う各電極部分４ａの間には、主面２ｃ側にスリットＳが形成されている。つまり、外部電極４は、スリットＳにより、複数の電極部分４ａに分けられていると言える。更に、スリットＳは、外部電極４から積層体２まで達しており、積層体２は、各電極部分４ａに対応する複数の積層体部分１０に分けられていると言える。積層体２は圧電体層３０を含むため、圧電体層３０が、スリットＳにより、各電極部分４ａに対応する複数の圧電体部分に分けられているとも言える。外部電極４は、外部電極３と同様に、スパッタリング法により形成されたスパッタ電極であり、電極領域Ｒ_Ａ〜Ｒ_Ｅを有している。

Ｘ軸方向において、積層体２のうち２つの溝３５の間に位置する部分であって、側面２ｅと主面２ｄとがなす角部分には、積層体２が切り欠かれた切欠部３６が形成されている。切欠部３６は、側面２ｅ及び主面２ｄに対して傾斜する傾斜面である。

以上のように構成される圧電素子１においては、内部電極３１と電極部分３ａとが電気的に接続されており、これらが同極である。内部電極３２〜３４と、電極部分３ｂと、外部電極４（すなわち、電極部分４ａ，４ｂ）と、とが電気的に接続されており、これらが同極である。内部電極３１及び電極部分３ａと、内部電極３２〜３４、電極部分３ｂ、及び外部電極４とは、電気的に接続されていない。

電極部分３ａと、電極部分３ｂ及び外部電極４との間に電圧が印加されると、内部電極３１と内部電極３２との間にも電圧が印加される。そのため、駆動部５０のうち活性部に位置する圧電体層３０に電界が生じ、駆動部５０が変位する。一方、非駆動部５２においては、圧電体層３０が内部電極３３の間に位置しているので、圧電体層３０に電界が生じない。そのため、非駆動部５２は変位しない。

続いて、圧電素子１の製造方法の一例について説明する。まず、ＰＺＴを主成分とする圧電セラミックス材料に有機バインダ及び有機溶剤等を混合して基体ペーストを作製し、その基体ペーストを用いて圧電体層３０となるグリーンシートをドクターブレード法により成形する。また、所定比率のＡｇとＰｄとからなる金属材料に有機バインダや有機溶剤等を混合して電極パターン形成用の導電ペーストを作製する。

次に、導電ペーストを用いて、内部電極３１〜３４に対応する電極パターンのそれぞれをグリーンシート上にスクリーン印刷法により形成する。そして、内部電極３１及び内部電極３３に対応する電極パターンが形成されたグリーンシート、内部電極３２及び内部電極３３に対応する電極パターンが形成されたグリーンシート、内部電極３４に対応する電極パターンが形成されたグリーンシート、及び電極パターンが形成されていないグリーンシートをこの順に積層して、積層体グリーンを作製する。

続いて、積層体グリーンを所定の温度（例えば、６０℃程度）で加熱しながら、積層方向に所定の圧力でプレスした後、積層体グリーンを所定の大きさに切断する。そして、積層体グリーンを所定の温度（例えば、４００℃程度）で脱脂した後、所定の温度（例えば、１１００℃程度）で所定時間焼成して、積層体２を得る。

続いて、積層体２の側面２ｅ，２ｆに対応する面に、スパッタリング法により外部電極３，４を形成する。外部電極３，４は、例えば、図９に示されるようなスパッタリング装置１００により形成される。図９の紙面垂直方向がスパッタリング装置１００の上下方向である。スパッタリング装置１００は、いわゆるインライン方式の装置である。スパッタリング装置１００は、成膜対象となる積層体２の搬送方向Ａの上流側から順に、加熱室１０１と、ロード室１０２と、スパッタ室１０３と、アンロード室１０４と、取出室１０５とを備えている。加熱室１０１とロード室１０２との間、ロード室１０２とスパッタ室１０３との間、スパッタ室１０３とアンロード室１０４との間、及びアンロード室１０４と取出室１０５との間には、それぞれバルブ１０６〜１０９が設けられている。ロード室１０２、スパッタ室１０３、及びアンロード室１０４は、それぞれ真空ポンプ１１０〜１１２を備えており、内部を真空状態に保つことができるように構成されている。

スパッタリング装置１００は、搬送装置１１３を更に備えており、各室を経由しながら積層体２を搬送することができるように構成されている。搬送装置１１３は、例えば、積層体２を直立させた状態で搬送するように構成されている。なお、搬送装置１１３は、積層体２を寝かせた状態で搬送してもよい。スパッタ室１０３の側面には、搬送方向Ａの上流側から順に、ターゲットＴ１〜Ｔ３がターゲット保持部１２１〜１２３にそれぞれ保持された状態で並んで設けられている。ターゲットＴ１〜Ｔ３は、それぞれ金属材料Ｍ１〜Ｍ３により構成されている。スパッタ室１０３の側面におけるターゲットＴ１とターゲットＴ２との間、及びターゲットＴ２とターゲットＴ３との間には、それぞれ仕切板（防着板）１２４，１２５が設けられている。仕切板１２４，１２５は、スパッタ室１０３の側面からスパッタ室１０３の内方に向かって移動することで、スパッタ室１０３を搬送方向Ａに沿って仕切るため部材である。

このようなスパッタリング装置１００によって外部電極３，４を形成する方法について説明する。まず積層体２が加熱室１０１に投入された後、積層体２がヒータにより所定温度まで加熱される。このときバルブ１０６〜１０９はそれぞれ閉じられた状態である。また、仕切板１２４，１２５はいずれもスパッタ室１０３の内方に移動し、スパッタ室１０３は搬送方向Ａに沿って仕切られた状態である。続いて、バルブ１０６が開けられ、積層体２が搬送装置１１３によりロード室１０２に搬送される。バルブ１０６が再び閉じられ、ロード室１０２が真空状態とされる。続いて、バルブ１０７が開けられ、積層体２が搬送装置１１３によりスパッタ室１０３に搬送される。スパッタ室１０３では、ターゲットＴ１〜Ｔ３に電圧が印加され、ターゲットＴ１〜Ｔ３を用いたスパッタリングが行われる。ターゲットＴ１〜Ｔ３は、ターゲット保持部１２１〜１２３にそれぞれ設けられた冷却装置（不図示）により冷却されている。スパッタ室１０３には、スパッタガス導入部（不図示）によりＡｒ等のスパッタガスが導入されている。積層体２は、搬送装置１１３によりスパッタ室１０３内を一定速度で搬送される。

積層体２がターゲットＴ１と対向する位置を通過する際、積層体２の表面には金属材料Ｍ１からなる薄膜（電極領域Ｒ_Ａ）が形成される。続いて、仕切板１２４がスパッタ室１０３の側面に移動し、積層体２がターゲットＴ２と対向する位置まで移動する。これにより、積層体２の表面には、金属材料Ｍ１及び金属材料Ｍ２が混在している薄膜（電極領域Ｒ_Ｂ）が形成される。積層体２がターゲットＴ１から離れて、ターゲットＴ２に近づくにしたがって、積層体２に堆積される薄膜中の金属材料Ｍ１の割合が徐々に減少し、反対に金属材料Ｍ２の割合が徐々に増加する。よって、電極領域Ｒ_Ｂは、電極領域Ｒ_Ａから離れるにしたがって、金属材料Ｍ１に対して金属材料Ｍ２が混在する割合が徐々に増えるような構成となる。

続いて、仕切板１２４がスパッタ室１０３の内方に移動する。これにより、積層体２の表面には金属材料Ｍ２からなる薄膜（電極領域Ｒ_Ｃ）が形成される。続いて、仕切板１２５がスパッタ室１０３の側面に移動し、積層体２がターゲットＴ３と対向する位置まで移動する。これにより、積層体２の表面には、金属材料Ｍ２及び金属材料Ｍ３が混在している薄膜（電極領域Ｒ_Ｄ）が形成される。積層体２がターゲットＴ２から離れて、ターゲットＴ３に近づくにしたがって、積層体２に堆積される薄膜中の金属材料Ｍ２の割合が徐々に減少し、反対に金属材料Ｍ３の割合が徐々に増加する。よって、電極領域Ｒ_Ｄは、電極領域Ｒ_Ｃから離れるにしたがって、金属材料Ｍ２に対して金属材料Ｍ３が混在する割合が徐々に増えるような構成となる。

続いて、仕切板１２５がスパッタ室１０３の内方に移動する。これにより、積層体２の表面には金属材料Ｍ３からなる薄膜（電極領域Ｒ_Ｅ）が形成される。続いて、バルブ１０８が開けられ、積層体２が搬送装置１１３によりアンロード室１０４に搬送される。アンロード室１０４は、予め真空状態とされている。積層体２がスパッタ室１０３から搬出されると、アンロード室１０４は、ベントガスの導入により大気圧状態とされる。続いて、バルブ１０９が開けられ、積層体２は、搬送装置１１３により取出室１０５に搬送された後、スパッタリング装置１００から外部に取り出される。

以上のようにして、スパッタリング装置１００によって外部電極３，４が形成された積層体２を得ることができる。スパッタリング装置１００は、片面ずつ成膜を行う構成であるが、ターゲットＴ１〜Ｔ３をスパッタ室１０３の両側面に配置することにより、両面同時に成膜を行うこともできる。

次に、外部電極３，４が形成された積層体２において、側面２ｅに対応する面にＺ軸方向に沿って溝３５を形成する。そして、側面２ｅと主面２ｄとの角部分に、切欠部３６を形成する。続いて、主面２ｃに対応する面に、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に延びるスリットＳを形成する。スリットＳは、例えば直径２μｍのワイヤーを備えるワイヤーソーによって形成される。以上により、圧電素子１が得られる。

上述のような圧電素子１では、外部電極３，４が、積層体２側から順に並ぶ電極領域Ｒ_Ａ〜Ｒ_Ｅを有するスパッタ電極として構成されている。電極領域Ｒ_Ａと電極領域Ｒ_Ｃとの間に設けられた電極領域Ｒ_Ｂでは、電極領域Ｒ_Ａを構成する金属材料Ｍ１、及び電極領域Ｒ_Ｃを構成する金属材料Ｍ２が混在している。電極領域Ｒ_Ｂと電極領域Ｒ_Ａとの接合強度、及び電極領域Ｒ_Ｂと電極領域Ｒ_Ｃとの接合強度はいずれも、互いに全く異なる金属材料からなる電極領域Ｒ_Ａと電極領域Ｒ_Ｃとの接合強度よりも高い。更に、電極領域Ｒ_Ｃと電極領域Ｒ_Ｅとの間に設けられた電極領域Ｒ_Ｄでは、電極領域Ｒ_Ｃを構成する金属材料Ｍ２及び電極領域Ｒ_Ｅを構成する金属材料Ｍ３が混在している。電極領域Ｒ_Ｄと電極領域Ｒ_Ｃとの接合強度、及び電極領域Ｒ_Ｄと電極領域Ｒ_Ｅとの接合強度はいずれも、互いに全く異なる金属材料からなる電極領域Ｒ_Ｃと電極領域Ｒ_Ｅとの接合強度よりも高い。これらのことから、外部電極３，４では、電極内の剥離、特に各電極領域間の剥離を抑制することができる。

圧電素子の製造工程において、例えば、機械加工を施すことにより、積層体と外部電極との間で剥離が発生したり、外部電極内で剥離が発生したりする場合がある。特に、後者の場合は、圧電特性及び外観への影響が製造直後は比較的少ないため、検査による不良品のスクリーニングが比較的困難である。この結果、不良品が検査から漏れ、経年劣化を起こして信頼性を低下させる懼れがある。圧電素子１では、上述のように、電極内の剥離が生じ難くなる。これにより、信頼性を向上させることができる。

電極領域Ｒ_Ｂでは、金属材料Ｍ１に対して金属材料Ｍ２が混在する割合が、電極領域Ｒ_Ａから電極領域Ｒ_Ｃに向かうにしたがって徐々に増加している。このため、電極領域Ｒ_Ｂの電極領域Ｒ_Ａ側に金属材料Ｍ１が多く含まれるので、電極領域Ｒ_Ｂと電極領域Ｒ_Ａとの接合強度を更に高めることができる。また、電極領域Ｒ_Ｂの電極領域Ｒ_Ｃ側に金属材料Ｍ２が多く含まれるので、電極領域Ｒ_Ｂと電極領域Ｒ_Ｃとの接合強度を更に高めることができる。更に、電極領域Ｒ_Ｄでは、金属材料Ｍ２に対して金属材料Ｍ３が混在する割合が、電極領域Ｒ_Ｃから電極領域Ｒ_Ｅに向かうにしたがって徐々に増加している。このため、電極領域Ｒ_Ｄの電極領域Ｒ_Ｃ側に金属材料Ｍ２が多く含まれるので、電極領域Ｒ_Ｄと電極領域Ｒ_Ｃとの接合強度を更に高めることができる。また、電極領域Ｒ_Ｄの電極領域Ｒ_Ｅ側に金属材料Ｍ３多く含まれるので、電極領域Ｒ_Ｄと電極領域Ｒ_Ｅとの接合強度を更に高めることができる。これらのことから、電極内の剥離を更に抑制することができる。

ここで、金属材料Ｍ１をＣｒ、金属材料Ｍ２をＣｕ、金属材料Ｍ３をＳｎＡｇとするスパッタ電極をＰＺＴからなる圧電体上に形成し、断面をＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）で観察した結果について説明する。スパッタ電極は、図９のスパッタリング装置１００に対応する装置により実施形態の手順に沿って、総厚が約１．５μｍとなるように形成した。図１０に示されるように、ＰＺＴからなる圧電体とＣｒからなる領域との境界に比べると、Ｃｒからなる領域とＣｕからなる領域との境界、及びＣｕからなる領域とＳｎＡｇからなる領域との境界は、いずれも不鮮明となっている。これは、Ｃｒからなる領域とＣｕからなる領域との間には、Ｃｒ及びＣｕが混在する領域が形成されると共に、Ｃｕからなる領域とＳｎＡｇからなる領域との間には、Ｃｕ及びＳｎＡｇが混在する領域が形成されているためと推察される。

また、圧電素子１では、外部電極３，４が、電極領域Ｒ_Ａ〜Ｒ_Ｅが対向する方向に沿って形成されたスリットＳにより、複数の電極部分３ａ，４ｂに分けられている。例えば、機械的加工により外部電極３，４が分けられるとすると、外部電極３，４内の剥離が生じ易いので、電極領域Ｒ_Ａ〜Ｒ_Ｅ間の接合強度を高める本実施形態の構成が特に有効となる。

また、圧電素子１では、スリットＳは、積層体２まで達しており、積層体２は、各電極部分３ａ，４ｂに対応する複数の積層体部分１０に分けられている。これにより、各積層体部分１０を互いに独立して駆動することができる。

本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

例えば、積層体２の主面２ｃ，２ｄ以外の面に、外部電極３，４と同じ構成のスパッタ電極が設けられていてもよい。外部電極３，４は、少なくとも電極領域Ｒ_Ａ〜Ｒ_Ｃ、又は電極領域Ｒ_Ｃ〜Ｒ_Ｅを有していればよい。電極領域Ｒ_Ｂでは、膜厚方向において、金属材料Ｍ１に対して金属材料Ｍ２が混在する割合が一定であってもよいし、段階的に変化してもよい。電極領域Ｒ_Ｄでは、膜厚方向において、金属材料Ｍ２に対して金属材料Ｍ３が混在する割合が一定であってもよいし、段階的に変化してもよい。本発明に係る圧電素子は、積層型圧電素子に限られず、内部電極を有さない圧電基板上に、外部電極３，４のようなスパッタ電極が設けられたものであってもよい。

１…圧電素子、２…積層体、３，４…外部電極、３ａ，３ｂ…電極部分、４ａ，４ｂ…電極部分、１０…積層体部分、３０…圧電体層、Ｒ_Ａ〜Ｒ_Ｅ…電極領域。

Claims (10)

1. 圧電体と、前記圧電体上に設けられたスパッタ電極と、を備え、
   前記スパッタ電極は、
   第一金属材料からなる第一電極領域と、
   前記第一電極領域上に位置し、前記第一金属材料とは異なる第二金属材料からなる第二電極領域と、
   前記第一電極領域と前記第二電極領域との間に設けられた第三電極領域と、
   前記第二電極領域上に位置し、前記第一金属材料及び前記第二金属材料とは異なる第三金属材料からなる第四電極領域と、
   前記第二電極領域と前記第四電極領域との間に設けられた第五電極領域と、を有し、
   前記第三電極領域は、前記第一金属材料及び前記第二金属材料が混在している領域であり、
   前記第五電極領域は、前記第二金属材料及び前記第三金属材料が混在している領域であり、
   前記スパッタ電極は、前記圧電体と対向した面、及び、前記圧電体と反対側に露出した面を有し、
   前記第三電極領域では、前記第一金属材料に対して前記第二金属材料が混在する割合が、前記第一電極領域から前記第二電極領域に向かうにしたがって徐々に増加し、
   前記第五電極領域では、前記第二金属材料に対して前記第三金属材料が混在する割合が、前記第二電極領域から前記第四電極領域に向かうにしたがって徐々に増加している、圧電素子。
2. 前記圧電体は、圧電セラミックス材料の焼成体からなる、請求項１に記載の圧電素子。
3. 前記スパッタ電極は、スリットにより複数の電極部分に分けられている、請求項１又は２に記載の圧電素子。
4. 前記スリットは、前記圧電体まで達しており、
   前記圧電体は、各前記電極部分に対応する複数の圧電体部分に分けられている、請求項３に記載の圧電素子。
5. 前記第一金属材料はＣｒであり、
   前記第二金属材料はＣｕである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧電素子。
6. 前記第三金属材料はＳｎＡｇである、請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧電素子。
7. 前記第二電極領域は、前記第一電極領域、前記第三電極領域、前記第四電極領域、及び前記第五電極領域よりも厚い、請求項１〜６いずれか一項に記載の圧電素子。
8. 圧電体を形成する工程と、
   前記圧電体を形成する工程後に、前記圧電体を搬送しながら、前記圧電体上にスパッタ電極を形成する工程と、を含み、
   前記スパッタ電極を形成する工程は、前記圧電体の搬送方向の上流側から順に並んで設けられた、第一金属材料により構成された第一ターゲット、前記第一金属材料とは異なる第二金属材料により構成された第二ターゲット、及び前記第一金属材料及び前記第二金属材料とは異なる第三金属材料により構成された第三ターゲットを用い、前記圧電体を搬送しながら行われ、
   前記スパッタ電極を形成する工程では、
   前記第一ターゲットにより、前記第一金属材料からなる領域を形成して、
   前記第一ターゲット及び前記第二ターゲットにより、前記第一金属材料からなる領域上に、前記第一金属材料及び前記第二金属材料が混在している領域を形成して、
   前記第二ターゲットにより、前記第一金属材料及び前記第二金属材料が混在している領域上に、前記第二金属材料からなる領域を形成して、
   前記第二ターゲット及び前記第三ターゲットにより、前記第二金属材料からなる領域上に、前記第二金属材料及び前記第三金属材料が混在している領域を形成して、
   前記第三ターゲットにより、前記第二金属材料及び前記第三金属材料が混在している領域上に、前記第三金属材料からなる領域を形成する、圧電素子の製造方法。
9. 前記スパッタ電極を形成する工程では、前記圧電体の両面に同時に前記スパッタ電極が形成される、請求項８に記載の圧電素子の製造方法。
10. 前記スパッタ電極を形成する工程では、前記圧電体は、一定速度で搬送される、請求項８又は９に記載の圧電素子の製造方法。